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Turbofan

Tipo	turbojato

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O motor Turbofan e um motor a reacao utilizado em avioes projetados especialmente para altas velocidades de cruzeiro , que possui um otimo desempenho em altitudes elevadas, entre 10.000 metros e 15.000 metros, ou ate um pouco mais, apresentando velocidades na faixa de 700 km/h ate 1.000 km/h. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

O motor e constituido por um fan (ventoinha, em ingles) que complementa o fluxo de ar gerado pelos compressores de baixa pressao e alta pressao. E um tipo bem mais moderno de motorizacao, uma evolucao natural do motor turbojato . ^{[ 2 ]}

Cada tipo de motor turbofan apresenta poucas diferencas no modo de operacao, sendo que em todos os modelos modernos de motor turbofan o fan e uma extensao de um compressor de baixa pressao ( LPC , ou Low Pressure Compressor ), este montado logo atras do fan.

Praticamente todos os motores que impulsionam os avioes comerciais e executivos a jato atualmente sao turbofans. Eles sao apreciados por sua eficiencia e por serem relativamente pouco ruidosos em relacao aos modelos de aeronaves impulsionados por turbojatos. ^{[ 2 ]}

Turbofans sao menos utilizados em aeronaves militares, nas quais altas velocidades e baixo peso sao necessarios, ao passo que ruido e eficiencia sao menos importantes. Porem, ja existem exemplos de sucesso do emprego de motores turbofan em jatos militares, entre eles o Saab JAS 39 Gripen e o Boeing F/A-18 Super Hornet .

Caracteristicas [ editar | editar codigo-fonte ]

Em um turbofan, o ar passa por uma via de admissao antes de ser comprimido a uma pressao maior por um conjunto de ventoinhas que formam o compressor. Esse mesmo ar comprimido passa por uma camara de combustao na qual e misturado com o combustivel (geralmente querosene ) e entao detonado. Os gases de combustao passam entao por uma turbina em que sua energia produzida e transmitida por um eixo para mover o compressor e assim por diante, como em uma reacao em cadeia.

Apesar do processo de expansao do ar na turbina reduzir a pressao e a temperatura dos gases, normalmente ainda ha energia suficiente para gerar um jato de gases de alta velocidade, ja que os gases se expandem a pressao atmosferica atraves do bocal de saida. Esse processo normalmente produz um impulso na direcao oposta a do jato de gases, o que no meio aeronautico chamam de empuxo . Esse fenomeno que produz o empuxo esta relacionado a Terceira Lei de Newton , tambem conhecida como Lei da Acao e Reacao . ^{[ 3 ]}

Ao contrario de um motor ciclico, um turbofan utiliza um processo continuo.

O processo descrito acima e, estritamente, para um turbofan de eixo simples. Apos a Segunda Guerra Mundial , turbofans de eixo duplo foram desenvolvidos para facilitar o manejo dos sistemas de compressao. A adocao de um sistema de dois eixos permite que o sistema de compressao seja divido em dois, com um compressor de baixa pressao (LPC, ou Low Pressure Compressor) sobrecarregando um compressor de alta pressao ( HPC , ou High Pressure Compressor ). Cada compressor e montado em um eixo distinto (coaxial), que e movido por sua propria turbina, a turbina de alta pressao e a turbina de baixa pressao, na sequencia. Fora isso, um turbofan de dois eixos e muito similar a um turbofan de eixo simples.

Os turbofans modernos evoluiram do turbofan de eixo duplo, basicamente aumentando o tamanho relativo do compressor de baixa pressao ate o ponto no qual uma parte (se nao a maior parte) do ar em alta velocidade passa pelo motor contornando o fluxo principal, passando ao redor da camara de combustao. Esse ar pode tanto expandir-se atraves de um bocal independente quanto ser misturado aos gases quentes que saem da turbina de baixa pressao, antes de se expandir atraves de um bocal comum. Apesar de gerarem um jato mais lento, os turbofans civis modernos sao mais silenciosos que seus turbofans equivalentes. Turbofans tem ainda uma eficiencia termica maior, que sera explicada mais abaixo. Em um turbofan, o compressor de baixa pressao e frequentemente chamado de ventoinha. Turbofans civis geralmente tem uma unica ventoinha, enquanto que a maioria dos turbofans militares tem varias ventoinhas.

Motor turboelice [ editar | editar codigo-fonte ]

O motor turboelice e diferente do motor turbofan, nele sao turbinas movidas a gas que transmitem quase toda sua energia para uma engrenagem que move um helice com varias pas. Os motores turboelice ainda sao populares em avioes de pequeno porte (Beechcraft King Air, por exemplo) e de medio porte (ATR-72, por exemplo), e menos velozes que avioes a jato

O turboelice e recomendavel para velocidades moderadas e o turbofan e melhor para velocidades altas, imaginou-se que a velocidades medianas uma juncao dos dois sistemas seria melhor.

Motor turbofan [ editar | editar codigo-fonte ]

O motor turbofan foi originalmente chamado de turbofan de contorno de ar pelos seus inventores. Outro nome ocasionalmente usado e "ventoinha interna", sendo que esse nome tambem e usado para helices e ventoinhas utilizadas em aplicacoes verticais.

A chamada taxa de contorno (em ingles bypass ratio ) esta relacionada ao volume de ar que contorna a camara de combustao, e um parametro frequentemente utilizado para classificar turbofans, apesar de a propulsao especifica ser um parametro mais adequado

A diferenca entre um turbofan e uma helice, alem da propulsao direta, e que a entrada de ar do primeiro desacelera o ar antes que este chegue as laminas da ventoinha. Ao passo que tanto helices quanto ventoinhas sao eficientes apenas a velocidades subsonicas, ventoinhas internas permitem boa eficiencia a velocidades maiores.

Dependendo da propulsao especifica, ventoinhas internas alcancam maxima eficiencia entre 400 e 2000 km/h (250 a 1300 mph), sendo portanto a opcao de motor mais comum tanto das companhias comerciais de hoje quanto das aeronaves militares supersonicas ou subsonicas, sejam de treino sejam de combate. Entretanto, e importante notar que turbofans utilizam grandes entradas de ar para desacelerar o ar a velocidades subsonicas (consequentemente reduzindo as ondas de choque atraves do motor ).

O ruido de qualquer tipo de turbofan esta fortemente relacionado com a velocidade dos gases expelidos. Turbofans com alta taxa de contorno (baixa propulsao especifica) sao relativamente menos ruidosos se comparados aos turbofans com baixa taxa de contorno (alta propulsao especifica).

Um motor com baixa propulsao especifica tem, por definicao, um jato de menor velocidade, como mostra a equacao abaixo (aproximada) para propulsao:

${\displaystyle F_{n}={\dot {m}}\cdot (V_{jfe}-V_{a})}$

onde:

${\displaystyle {\dot {m}}=\,}$ massa de ar que entra

${\displaystyle V_{jfe}=\,}$ velocidade do jato totalmente expandido (na pluma de exaustao)

${\displaystyle V_{a}=\,}$ velocidade do aviao

Reorganizando a equacao acima, propulsao especifica e dada por:

${\displaystyle {\frac {F_{n}}{\dot {m}}}=(V_{jfe}-V_{a})}$

Portanto, para uma determinada velocidade a propulsao especifica e diretamente proporcional a velocidade do jato. Relativamente falando, motores com baixa propulsao especifica tem um maior diametro para acomodar o grande volume de ar necessario para uma dada propulsao.

Avioes a jato sao considerados ruidosos, mas um motor convencional a pistao ou um motor turboelice desenvolvendo a mesma potencia seria muito mais barulhento.

A origem do motor turbofan [ editar | editar codigo-fonte ]

Os primeiros turbofans eram muito ineficientes no consumo de combustivel, ja que sua taxa de pressurizacao e a temperatura da entrada da turbina eram muito limitadas pela tecnologia da epoca. O primeiro turbofan em operacao foi o Daimler-Benz DB 670 (popularmente conhecido como 109-007) que foi testado em 1º de abril de 1943. O projeto foi posteriormente abandonado por causa da guerra e principalmente por causa de problemas que nao foram resolvidos. Materiais melhores, e a introducao de compressores duplos, como no motor Pratt & Whitney JT3C, melhoraram a taxa de pressurizacao e consequentemente a eficiencia termodinamica dos motores, mas levaram a uma fraca eficiencia propulsiva, ja que turbofans genuinos tem alta propulsao especifica e alta velocidade de exaustao.

Os turbofans originais de baixa taxa de contorno foram projetados para melhorar a eficiencia de propulsao reduzindo a velocidade de exaustao a um valor proximo do da velocidade da aeronave. O Rolls-Royce Conway , o primeiro turbofan a entrar em producao, tinha uma taxa de contorno de 0.3, similar ao moderno motor de caca General Electric F404 . Turbofans civis dos anos 1960, como o Pratt & Whitney JT8D e o Rolls-Royce Spey tinham taxas de contorno proximas a 1, mas nao eram similares aos seus equivalentes militares. O distinto motor General Electric CF700 foi desenvolvido como um motor com ventoinha frontal, com uma taxa de contorno de 2.0. Ele era derivado do turbofan General Electric J85/CJ610 do T-38 Talon e do Learjet (2,850 lbf ou 12,650 N) para impulsionar o grande Rockwell Sabreliner 75/80 , assim como o Dassault Falcon 20 com um aumento de cerca de 50% no impulso (4,200 lbf ou 18,700 N). O CF700 foi o primeiro turbofan de tamanho reduzido do mundo a ser certificado pela Administracao Federal de Aviacao ( FAA , Federal Aviation Administration ). Atualmente, ha mais de 400 aeronaves equipadas com o CF700 em operacao ao redor do mundo, com uma base de experiencia de mais de 10 milhoes de horas de servico. O turbofan CF700 foi ainda usado para treinar astronautas durante o Projeto Apollo como o motor do Veiculo de Pouso e Pesquisa Lunar .

Turbofans de baixa taxa de contorno [ editar | editar codigo-fonte ]

Um turbofan de alta propulsao especifica e baixa taxa de contorno normalmente tem uma ventoinha de varios estagios, criando uma taxa de pressurizacao relativamente alta e, consequentemente, conseguindo uma alta velocidade de exaustao . A passagem central de ar precisa ser suficientemente grande para conseguir a forca necessaria para mover a ventoinha. Um menor fluxo de ar na passagem central e uma maior taxa de contorno podem ser conseguidas aumentando-se a temperatura de entrada do disco da turbina de alta pressao.

Imagine uma situacao hipotetica na qual um novo turbofan de baixa taxa de contorno e exaustao mista substitua um velho turbofan, preferencialmente em uma aplicacao militar. Diga-se que o novo motor tem o mesmo fluxo de ar e a mesma propulsao especifica que o motor que esta substituindo. Um fluxo de contorno apenas pode ser iniciado se a temperatura de entrada do motor for aumentada, para compensar para uma correspondente diminuicao do fluxo de ar na passagem principal. Melhoramentos no arrefecimento do motor e novas tecnologias de materiais poderiam facilitar de uma maior temperatura de entrada, desconsiderando diminuicao da temperatura do ar, o que resultaria numa provavel queda na taxa de pressurizacao.

Feito de forma eficiente, o turbofan final provavelmente operaria a pressoes de bocal maiores que as do turbofan, mas com uma temperatura de exaustao menor para reter a propulsao especifica. Uma vez que o aumento de temperatura atraves de todo o motor (da entrada ao bocal) seria menor, o fluxo de combustivel tambem seria menor, resultando em um menor consumo especifico de combustivel (SFC, specific fuel consumption).

Alguns turbofans militares de baixa taxa de contorno (como o F404) possuem laminas de entrada variaveis, com dobradicas ao estilo de piano, para direcionar o ar diretamente ao primeiro disco. Isso aumenta a margem de succao da ventoinha. As asas anguladas do F-111 alcancaram um grande alcance e uma grande capacidade de carga por ser o pioneiro no uso de tal motor, sendo que este e tambem o coracao do famoso caca de superioridade aerea F-14 Tomcat , o qual usa os mesmos motores em um uma estrutura menor e mais agil para conseguir um cruzeiro eficiente e uma velocidade de Mach 2.

Ver tambem [ editar | editar codigo-fonte ]

• Motor a jato
• Pos-combustao
• Turboelice

Referencias

O Commons possui imagens e outros ficheiros sobre Turbofan

• Portal da aviacao